JP2015508178A - Critical angle light sensor device - Google Patents

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Abstract

光センサ装置は、平坦な第1の面、第2の面、および第3の面を有する光学的に透過性の構造体と、構造体の外側に、第1の面に隣接して配置された光源と、プリズムの外側に、第1の面に隣接して配置された光検出器アレイとを含む。プリズムと、構造体の外側に、第2の面に近接して配置されたサンプルと、の間の光境界面で全反射した光源からの光が、第3の面で反射し、サンプルの屈折率に依存して光検出器アレイの一部分に入射するように、構造体、光源、および光検出器アレイが構成される。全反射した各光源からの光が、サンプルの異なる屈折率範囲に対応しかつ光検出器アレイの対応する部分にマッピングされるように、光源が、構造体および光検出器アレイに対して配置される。The optical sensor device is disposed on the outside of the structure, adjacent to the first surface, with an optically transparent structure having a flat first surface, a second surface, and a third surface. And a photodetector array disposed outside the prism and adjacent to the first surface. The light from the light source totally reflected at the optical interface between the prism and the sample placed outside the structure and in close proximity to the second surface is reflected by the third surface and refracted by the sample. The structure, the light source, and the photodetector array are configured to enter a portion of the photodetector array depending on the rate. The light sources are positioned relative to the structure and the photodetector array so that the light from each totally reflected light source corresponds to a different refractive index range of the sample and is mapped to a corresponding portion of the photodetector array. The

Description

本発明の実施形態は、光センサに関し、より具体的には、光学材料とサンプルとの間の境界面における全反射を感知することによって、サンプルの屈折率を測定する光センサに関する。   Embodiments of the present invention relate to optical sensors, and more specifically to optical sensors that measure the refractive index of a sample by sensing total reflection at the interface between the optical material and the sample.

当技術分野では、媒質の屈折率を求めるために臨界角を測定することの基礎となる物理学上の原理が周知であるため、臨界角を用いてサンプルの屈折率を測定するシステムが周知である。屈折率の高い媒質から届いた光が、その屈折率の高い媒質と、屈折率がより低い別の媒質との間の境界面で、臨界入射角よりも大きい入射角で入射すると、全反射を観察することができる。臨界角は、両媒質の屈折率の関数である。しかし、一方の媒質の屈折率が既知の場合、他方の屈折率は、臨界角θcの測定値から、以下の周知の式を用いて求めることができる。 Since the physics principles underlying the critical angle measurement for determining the refractive index of a medium are well known in the art, systems for measuring the refractive index of a sample using the critical angle are well known. is there. When light that arrives from a medium with a high refractive index is incident at an interface angle between the medium with the high refractive index and another medium with a lower refractive index at an incident angle greater than the critical incident angle, total reflection is caused. Can be observed. The critical angle is a function of the refractive indices of both media. However, when the refractive index of one medium is known, the other refractive index can be obtained from the measured value of the critical angle θ c using the following well-known formula.

Figure 2015508178
Figure 2015508178

式中、n1は、屈折率が高い媒質の屈折率であり、n2は、屈折率が低い媒質の屈折率である。慣例的に、入射臨界角は、2つの媒質間の境界面に垂直な線に対して測定する。 In the formula, n 1 is a refractive index of a medium having a high refractive index, and n 2 is a refractive index of a medium having a low refractive index. Conventionally, the incident critical angle is measured with respect to a line perpendicular to the interface between the two media.

米国特許第6,097,479号には、臨界角の測定を行うためのセンサが記載されており、このセンサでは、光源と光検出器アレイとが、屈折率の高い媒質として働く光透過性ハウジング内に封入されている。このハウジングは、一面がサンプルと接触しているプリズムを成し、このサンプルは、屈折率の低い媒質として働く。光源からの光は、サンプルとプリズムとの間の境界面に、ある入射角範囲にわたって入射する。臨界角よりも大きい角度でこの境界面に入射した光の部分は全反射し、光検出器アレイによって検出される。したがって、臨界角に依存して、光検出器アレイの異なる部分が全反射した光によって照明されることになり、臨界角は、プリズムの屈折率と、サンプルの屈折率とに依存する。光検出器アレイの照明パターンを分析すると、サンプルの屈折率を求めることができる。   US Pat. No. 6,097,479 describes a sensor for measuring a critical angle, in which a light source and a photodetector array are enclosed in a light transmissive housing that acts as a high refractive index medium. Has been. The housing forms a prism whose one surface is in contact with the sample, which serves as a low refractive index medium. The light from the light source enters the interface between the sample and the prism over a range of incident angles. The portion of light incident on this interface at an angle greater than the critical angle is totally reflected and detected by the photodetector array. Thus, depending on the critical angle, different parts of the photodetector array will be illuminated by the totally reflected light, which depends on the refractive index of the prism and the refractive index of the sample. By analyzing the illumination pattern of the photodetector array, the refractive index of the sample can be determined.

米国特許第6,097,479号U.S. Patent No. 6,097,479

上記に鑑みて、本発明の実施形態を考案するものである。   In view of the above, embodiments of the present invention are devised.

本発明の教示は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せて考慮することによって容易に理解することができる。   The teachings of the present invention can be readily understood by considering the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, in which:

本発明の一実施形態による光センサ装置の概略3次元図である。1 is a schematic three-dimensional view of an optical sensor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による光センサ装置の概略側面図である。1 is a schematic side view of an optical sensor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による光センサ装置の光検出器アレイ信号を示す3次元グラフである。3 is a three-dimensional graph showing a photodetector array signal of the optical sensor device according to an embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態による光センサ装置を示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows the optical sensor apparatus by other embodiment of this invention. 本発明の別の実施形態による光センサ装置を示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows the optical sensor apparatus by another embodiment of this invention.

以下の詳細な説明には、数多くの具体的な詳細が例示の目的で含まれているが、当業者であれば、以下の詳細に対する数多くの変形および変更が本発明の範囲内に含まれることが理解されよう。したがって、以下で説明する本発明の例示的な実施形態は、特許請求する本発明に対していかなる一般性も失うことなく、かつ制約を課すこともなく記載されているものである。   While the following detailed description includes numerous specific details for the purpose of illustration, those skilled in the art will recognize that many variations and modifications to the following details are within the scope of the present invention. Will be understood. Accordingly, the exemplary embodiments of the invention described below are described without losing any generality or imposing limitations on the claimed invention.

以下の詳細な説明では、本明細書の一部を成す添付の図面を参照するが、これらの図面には、本発明を実施することができる具体的な実施形態が例によって示されている。この点に関して、「頂部」、「底部」、「正面」、「背面」、「前部」、「後部」などの方向を示す用語は、時には説明している図の向きに関して使用することがある。本発明の実施形態の構成要素は、いくつかの異なる向きに配置することができるので、方向を示す上記の用語は例示の目的で使用するものであり、決して限定するものではない。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態も使用することができ、また、構造上の、または論理上の変更を行うことができることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で取るべきではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定されるものである。   In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings that form a part hereof, and in which are shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. In this regard, directional terms such as “top”, “bottom”, “front”, “back”, “front”, “rear” are sometimes used with respect to the orientation of the figure being described. . Since the components of embodiments of the present invention can be arranged in a number of different orientations, the above terminology indicating orientation is used for illustrative purposes and is in no way limiting. It should be understood that other embodiments may be used and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.

（用語解説）
本明細書では、以下の用語は、以下の意味を有する。 (Glossary)
As used herein, the following terms have the following meanings:

「熱膨張係数(Coefficient of Thermal Expansion)」とは、温度変化に伴う材料の1つまたは複数の物理的寸法の変動を定量化する材料特性を指す。   “Coefficient of Thermal Expansion” refers to a material property that quantifies a change in one or more physical dimensions of a material with changes in temperature.

「CTEが整合した」とは、同様の熱膨張係数(CTE)を有する材料を指す。本願の目的にあっては、2つの材料の熱膨張係数が互いに約2倍以内であれば、それら2つの材料はCTEが整合していると言うことができる。   “CTE matched” refers to a material having a similar coefficient of thermal expansion (CTE). For the purposes of this application, if the two materials have a coefficient of thermal expansion that is within about twice of each other, it can be said that the two materials are CTE matched.

「分散(または光分散)」とは、波が材料中を進む際に、波の速度はその周波数に依存するため、波が異なる周波数のスペクトル成分に分離する現象を指す。光学では、この現象は、材料の屈折率は光の真空波長に依存する、と言い表すことができる。   “Dispersion (or light dispersion)” refers to a phenomenon in which when a wave travels through a material, the speed of the wave depends on its frequency, so that the wave is separated into spectral components of different frequencies. In optics, this phenomenon can be expressed as the refractive index of the material depends on the vacuum wavelength of the light.

「屈折率」とは、真空(または他の基準媒質)中の光の速度の、材料中の光の速度に対する比率として一般に定義される、材料の光学特性を指す。   “Refractive index” refers to the optical properties of a material, generally defined as the ratio of the speed of light in a vacuum (or other reference medium) to the speed of light in the material.

「赤外放射」とは、約700ナノメートル(nm)から約100,000nmの間の真空波長を特徴とする電磁放射を指す。   “Infrared radiation” refers to electromagnetic radiation characterized by a vacuum wavelength between about 700 nanometers (nm) and about 100,000 nm.

「光」とは、赤外から紫外にわたる周波数範囲の電磁放射を一般に指し、これは約1ナノメートル(10-9メートル)から約100ミクロンの真空波長範囲に概ね対応する。 “Light” generally refers to electromagnetic radiation in the frequency range from infrared to ultraviolet, which generally corresponds to a vacuum wavelength range of about 1 nanometer (10 −9 meters) to about 100 microns.

「サファイア」とは、酸化アルミニウム(Al2O3)の異方性菱面体晶形を一般に指す。 “Sapphire” generally refers to the anisotropic rhombohedral form of aluminum oxide (Al 2 O 3 ).

「全反射」とは、所与の媒質内の電磁放射が、屈折率がより低い媒質との境界面で、臨界角よりも大きい角度で入射すると、その境界から完全に反射する現象を指す。慣例的に、入射臨界角は、2つの媒質間の境界面に垂直な線に対して測定する。入射角を境界面に対して接線方向の線に対して測定する場合は、全反射は、臨界角未満の入射角で生じることになる。   “Total reflection” refers to a phenomenon in which electromagnetic radiation in a given medium is completely reflected from the boundary when incident at an angle larger than the critical angle at the interface with a medium having a lower refractive index. Conventionally, the incident critical angle is measured with respect to a line perpendicular to the interface between the two media. If the angle of incidence is measured with respect to a line tangential to the interface, total internal reflection will occur at an angle of incidence less than the critical angle.

「紫外(UV)放射」とは、可視域の真空波長よりも短いが、軟X線の真空波長よりも長い真空波長を特徴とする電磁放射を指す。紫外放射は、以下の波長範囲、すなわち約380nmから約200nmの近紫外、約200nmから約10nmの遠紫外または真空紫外(FUVまたはVUV)、および約1nmから約31nmの極紫外(EUVまたはXUV)に細分することができる。   “Ultraviolet (UV) radiation” refers to electromagnetic radiation characterized by a vacuum wavelength that is shorter than the vacuum wavelength in the visible range but longer than the vacuum wavelength of soft X-rays. Ultraviolet radiation is in the following wavelength ranges: about 380 nm to about 200 nm near ultraviolet, about 200 nm to about 10 nm far ultraviolet or vacuum ultraviolet (FUV or VUV), and about 1 nm to about 31 nm extreme ultraviolet (EUV or XUV) Can be subdivided into

「真空波長」とは、所与の周波数の電磁放射が、真空中を伝播する場合に有するであろう波長を指し、真空中の光の速度を周波数で割ることによって得られる。   “Vacuum wavelength” refers to the wavelength that electromagnetic radiation of a given frequency will have when propagating in a vacuum, obtained by dividing the speed of light in a vacuum by the frequency.

「可視光」とは、赤外放射の真空波長よりも短いが、紫外放射の真空波長よりも長い真空波長を特徴とする電磁放射を指し、この可視域は一般に、約400nmから約700nmであるとみなされる。   “Visible light” refers to electromagnetic radiation characterized by a vacuum wavelength that is shorter than the vacuum wavelength of infrared radiation but longer than the vacuum wavelength of ultraviolet radiation, and this visible range is generally from about 400 nm to about 700 nm. Is considered.

［はじめに］
臨界角測定に基づく、従来技術による数多くの屈折率センサでは、光源と光検出器アレイとが、プリズムを形成している材料、例えば透明なエポキシ樹脂内に封入されている。従来技術による屈折率センサの一欠点は、こうしたセンサは通常、屈折率の測定に用いる1つの波長光を供給する光源を1つだけ用いているという点である。これには、いくつかの不利益がある。第1に、単一の光源によって入射角範囲が制限されることになり、したがって測定できる屈折率範囲が制限されることになる。第2に、単一の光源によって、センサの分解能が制限されるおそれがある。 [Introduction]
In many prior art refractive index sensors based on critical angle measurements, the light source and photodetector array are encapsulated in a material forming a prism, such as a transparent epoxy resin. One drawback of prior art refractive index sensors is that such sensors typically use only one light source that provides a single wavelength of light used to measure the refractive index. This has several disadvantages. First, a single light source will limit the range of incident angles and thus limit the range of refractive index that can be measured. Second, the resolution of the sensor may be limited by a single light source.

従来技術による屈折率センサの別の欠点は、光源と光検出器アレイとが、一体設計でプリズムと組み合わされている点であり、この設計では、光源と光検出器アレイとの両方が光学用エポキシ樹脂に封入されている。エポキシ樹脂による封入を使用した設計では、約85℃の温度で開始するエポキシ樹脂の劣化の影響を受けるため、測定できるプロセスの範囲が限定されることになる。ある既存のセンサ設計には、多くの流体または化学物質と化学的に適合性のない、屈折率が整合したプラスチックプリズムが使用されている。かかる設計では、測定境界面に化学的に適合性のある材料を介在させる必要がある。さらに、プラスチックプリズムでは、短波長光の使用が排除される。   Another drawback of the prior art refractive index sensor is that the light source and photodetector array are combined with a prism in an integrated design, where both the light source and the photodetector array are optical. Encapsulated in epoxy resin. Designs using epoxy resin encapsulation are subject to the degradation of epoxy resin starting at a temperature of about 85 ° C., limiting the range of processes that can be measured. One existing sensor design uses plastic prisms with refractive index matching that are not chemically compatible with many fluids or chemicals. Such a design requires the use of chemically compatible materials at the measurement interface. Further, the use of short wavelength light is eliminated in the plastic prism.

サンプルとの境界面がしばしばプリズムの一面ではなく、代わりにガラスまたは他の光学的に密な材料で作製された「窓」であることから、別の不利益が生じる。こうした窓は、プリズムの面の1つに接着される。しかし、従来技術による屈折率センサのプリズムに使用される光学用エポキシ樹脂と、窓に使用される典型的な材料(例えばホウケイ酸ガラス)との間には、熱膨脹係数(CTE)に著しい不整合がある。例えば、典型的な光学用エポキシ樹脂は、CTEが摂氏1度当たり約百万分の50(50ppm/℃)である。ホウケイ酸ガラスは、CTEが約7ppm/℃であり、これはエポキシ樹脂の約1/7である。通常の光学グレードのホウケイ酸ガラスは、商品名Schott BK-7として市販されている。   Another disadvantage arises because the interface with the sample is often not one side of the prism but instead is a “window” made of glass or other optically dense material. These windows are glued to one of the prism faces. However, there is a significant mismatch in the coefficient of thermal expansion (CTE) between the optical epoxy used in the prisms of prior art refractive index sensors and typical materials used in windows (e.g. borosilicate glass). There is. For example, a typical optical epoxy resin has a CTE of about 50 parts per million (50 ppm / ° C.) per degree Celsius. Borosilicate glass has a CTE of about 7 ppm / ° C., which is about 1/7 of an epoxy resin. A normal optical grade borosilicate glass is commercially available under the trade name Schott BK-7.

窓と光学用エポキシ樹脂との間でCTEが不整合であるため、サンプルとしている流体が室温よりも大幅に高い温度、または大幅に低い温度である場合に、問題が生じるおそれがある。   The CTE mismatch between the window and the optical epoxy resin can cause problems if the fluid being sampled is at a temperature significantly higher or lower than room temperature.

本発明の実施形態によれば、光センサ装置は、従来技術による屈折率センサのこうした不利益を克服する特徴を含むことができる。   According to embodiments of the present invention, an optical sensor device can include features that overcome these disadvantages of prior art refractive index sensors.

［光センサ装置］
本発明の一実施形態によれば、新しい設計の光センサ装置は、精密に機械加工された単一体の光学的に透明な材料で作製された光導波路構造体を使用し、この構造体は、測定境界面と、光源および光検出器アレイとの境界面と、を同時に形成する。 [Optical sensor device]
In accordance with one embodiment of the present invention, a newly designed optical sensor device uses a light waveguide structure made of a precisely machined, single piece of optically transparent material, the structure comprising: A measurement boundary surface and a boundary surface between the light source and the photodetector array are formed simultaneously.

精密に機械加工された光学的に透明な材料で作製された導光構造体を使用することによって、プラスチックプリズムで可能な波長範囲よりも広い波長範囲を使用することが可能となる。精密に機械加工された光学的に透明な固体材料によって、反射材料を導光構造体に直接載置することが可能となり、プリズム上にミラーを機械的に配置する必要がなくなる。これによって、設計の複雑さが低減し、光信号が向上する。   By using a light guide structure made of a precisely machined optically transparent material, it is possible to use a wider wavelength range than is possible with a plastic prism. The precisely machined optically transparent solid material allows the reflective material to be placed directly on the light guide structure, eliminating the need to mechanically place a mirror on the prism. This reduces design complexity and improves the optical signal.

波長が共通の2つの光源(例えば黄色LED)によって、従来技術による屈折率センサ設計に比べて、測定できる屈折率範囲が大幅に拡大される。波長が共通の2つの光源からの光は、屈折率範囲の中央で重なり、それによって信号対雑音比が増大する。   Two light sources with a common wavelength (eg, yellow LEDs) greatly expand the range of refractive indices that can be measured compared to prior art refractive index sensor designs. Light from two light sources with a common wavelength overlap in the middle of the refractive index range, thereby increasing the signal-to-noise ratio.

図1Aおよび図1Bは、本発明の一実施形態による光センサ装置100の例を示している。光センサ装置100は、反射式幾何配置(reflection geometry)に基づく。装置100は一般に、ホウケイ酸ガラスまたはサファイアなどの光学的に密な材料で作製された導光構造体102を含む。あるいは、導光構造体102は、石英、ダイアモンド、非ドープイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、炭酸カルシウム、または光学的に透明な他の任意の材料で作製されたものでよい。この導光構造体は、少なくとも3つの面F1、F2、およびF3を有する。導光構造体102は、適切な任意の手段、例えば機械的装着、エポキシ樹脂、融着などによって、プリント回路基板104に取り付けることができる。2つ以上の光源106A、106B、106C、106Dと、光検出器アレイ108とが、プリント回路基板104に取り付けられている。限定するものではないが、例として、各光源は、発光ダイオード(LED)でよい。光源の非限定的な他の例として、固体レーザ、および半導体レーザが含まれる。限定するものではないが、例として、導光構造体102は、図1Aおよび図1Bに示すように、光学的に透過性の媒質または材料で作製されたプリズムの形態でよい。しかし、本発明の実施形態は、所望の導光機能を実現するために、プリズムを利用したものに限られるわけではない。他の幾何形状および構成要素を用いて、センサ装置100の所望の反射式幾何配置を実現してもよい。   1A and 1B show an example of an optical sensor device 100 according to an embodiment of the present invention. The optical sensor device 100 is based on a reflection geometry. Device 100 generally includes a light guide structure 102 made of an optically dense material such as borosilicate glass or sapphire. Alternatively, the light guide structure 102 may be made of quartz, diamond, undoped yttrium aluminum garnet (YAG), calcium carbonate, or any other optically transparent material. The light guide structure has at least three surfaces F1, F2, and F3. The light guide structure 102 can be attached to the printed circuit board 104 by any suitable means such as mechanical attachment, epoxy resin, fusing, and the like. Two or more light sources 106A, 106B, 106C, 106D and a photodetector array 108 are attached to the printed circuit board 104. By way of example, but not limitation, each light source may be a light emitting diode (LED). Other non-limiting examples of light sources include solid state lasers and semiconductor lasers. By way of example and not limitation, the light guide structure 102 may be in the form of a prism made of an optically transmissive medium or material, as shown in FIGS. 1A and 1B. However, the embodiment of the present invention is not limited to the one using a prism in order to realize a desired light guiding function. Other geometric shapes and components may be used to achieve the desired reflective geometry of the sensor device 100.

光検出器アレイ108は一般に、感光素子の任意のアレイによって信号を生成することができる位置感知検出器であり、これらの信号は、そのアレイの異なる部分における受光量に依存して変動する。信号は、アナログ電気信号でも、デジタル電気信号でもよい。限定するものではないが、例として、光検出器アレイは、フォトダイオードアレイでよい。あるいは、電荷結合素子のアレイ、フォトレジスタのアレイ、および他の種類の感光素子のアレイを光検出器アレイにおいて使用してもよい。一般に、アレイ内の各感光素子は、その素子における放射照度(単位面積当たりの光強度)に対応する信号を供給することができる。したがって、各感光素子は、例えば図2に示すように、対応する「画素(pixel)」についての放射照度信号を供給する。任意選択によるメモリ110、例えば集積回路の形のメモリを光検出器アレイ108に結合して、光検出器アレイによって生成された画素信号を一時的に記憶しておくことができる。限定するものではないが、例として、メモリ110は、フラッシュメモリ、または電気的消去可能プログラマブル読出し専用メモリ(EEPROM)でよい。   Photodetector array 108 is typically a position sensitive detector that can generate signals with any array of photosensitive elements, and these signals vary depending on the amount of light received in different portions of the array. The signal may be an analog electrical signal or a digital electrical signal. By way of example and not limitation, the photodetector array may be a photodiode array. Alternatively, an array of charge coupled devices, an array of photoresistors, and an array of other types of photosensitive elements may be used in the photodetector array. In general, each photosensitive element in the array can provide a signal corresponding to the irradiance (light intensity per unit area) at that element. Accordingly, each photosensitive element supplies an irradiance signal for a corresponding “pixel”, for example, as shown in FIG. An optional memory 110, for example a memory in the form of an integrated circuit, can be coupled to the photodetector array 108 to temporarily store pixel signals generated by the photodetector array. By way of example, and not limitation, memory 110 may be a flash memory or an electrically erasable programmable read only memory (EEPROM).

図1Bから分かるように、光源からの光は、ある角度範囲にわたって発せられる。光源から発せられた光は、第1の面F1を通過する。第1の面F1を通過した光の少なくとも幾分かは、第2の面F2に近接した、サンプル111との境界面で全反射する。第1の面F1は、反射防止(AR)コーティングでコーティングしてもよい。境界面で全反射した光は、本明細書では「全反射光」と称することがある。図1Aに示す例では、窓112が第2の面F2に取り付けられ、境界面は、この窓の、サンプルと接触している面である。窓112は任意選択であることに留意されたい。図1Bに示す例のように窓を省略する場合、サンプル111との境界面113は、第2の面F2に位置することになり得る。   As can be seen from FIG. 1B, light from the light source is emitted over a range of angles. The light emitted from the light source passes through the first surface F1. At least some of the light that has passed through the first surface F1 is totally reflected at the boundary surface with the sample 111 adjacent to the second surface F2. The first surface F1 may be coated with an anti-reflection (AR) coating. The light totally reflected at the boundary surface may be referred to as “total reflected light” in this specification. In the example shown in FIG. 1A, the window 112 is attached to the second surface F2, and the boundary surface is the surface of the window that is in contact with the sample. Note that window 112 is optional. When the window is omitted as in the example shown in FIG. 1B, the boundary surface 113 with the sample 111 may be located on the second surface F2.

サンプルとの境界面からの全反射光は、第3の面F3で反射し、第1の面F1に戻ってそこを通過し、光検出器アレイ108に達する。したがって、プリズム102は、光源106A、106B、106C、106Dそれぞれからの光錐の幾分かを光検出器アレイ108上にマッピングする。サンプルの屈折率と、光源間のずれとによって、各光錐のどの部分がサンプルとの境界面で全反射することになるのかが決まる。   The totally reflected light from the interface with the sample is reflected by the third surface F3, returns to the first surface F1, passes through it, and reaches the photodetector array 108. Thus, the prism 102 maps some of the light cones from each of the light sources 106A, 106B, 106C, 106D onto the photodetector array 108. The refractive index of the sample and the deviation between the light sources determine which part of each light cone is totally reflected at the interface with the sample.

いくつかの実施形態では、プリズム102の材料は、全反射が第3の面F3で生じるように選択することができる。あるいは、第3の面F3を金属または誘電性反射コーティングでコーティングして、プリズム102内部から第3の面F3に入射した光を反射しやすくしてもよい。   In some embodiments, the material of the prism 102 can be selected such that total internal reflection occurs at the third surface F3. Alternatively, the third surface F3 may be coated with a metal or a dielectric reflective coating so that light incident on the third surface F3 from the inside of the prism 102 can be easily reflected.

屈折率を計算しやすいように、装置100は、光検出器アレイ108および/またはメモリ110に結合されたプロセッサ114をさらに含むことができる。プロセッサ114はまた、光源106A、106B、106C、106Dに結合し、どの光源をオンにし、どの光源をオフにするのか選択的に制御するように構成することもできる。プロセッサ114は、例えば、適切な実行可能命令115を用いてプログラミングすることによって、光検出器アレイによって測定された放射照度パターンを分析し、サンプルとの境界面における臨界角、および対応する屈折率を求めるように構成することができる。具体的には、このプロセッサは、放射照度パターンを分析して、サンプル111との境界面で、臨界角で反射した光を示す表示特徴部(telltale feature)の画素位置をそのパターン内で求めることができる。次いで、表示特徴部の画素位置を、装置100の構成要素の既知の幾何形状および材料特性からの第一原理的分析によって、または屈折率が既知の1つまたは複数の材料の測定値を用いた単純な較正からの分析によって、屈折率と相関させることができる。   To facilitate calculating the refractive index, the apparatus 100 can further include a processor 114 coupled to the photodetector array 108 and / or the memory 110. The processor 114 can also be configured to couple to the light sources 106A, 106B, 106C, 106D and selectively control which light sources are turned on and which light sources are turned off. The processor 114 analyzes the irradiance pattern measured by the photodetector array, for example by programming with appropriate executable instructions 115, and determines the critical angle at the interface with the sample, and the corresponding refractive index. It can be configured as desired. Specifically, the processor analyzes the irradiance pattern and determines the pixel position of the telltale feature that indicates light reflected at the critical angle at the interface with the sample 111 within the pattern. Can do. The pixel position of the display feature was then determined by first-principles analysis from known geometry and material properties of the components of the device 100 or using measurements of one or more materials with known refractive indices Analysis from a simple calibration can be correlated with refractive index.

臨界角は、放射照度パターンから以下のようにして求めることができる。臨界角未満の入射角では、幾分かの光は、サンプル111との境界面でサンプル内に屈折することになり、幾分かの光は反射して光検出器アレイ108に達することになる。臨界角では、屈折光は、境界面に沿って屈折する。臨界角よりも大きい角度では、光は全て、サンプル111との境界面で反射する。臨界角で反射した光に対応する光線は、光検出器アレイにおける放射照度のパターンの低強度と高強度との間の変化点によって識別することができる。この変化点の画素位置を、導光構造体102および窓112の既知の幾何形状および屈折率から、また、光源および光検出器アレイ108の既知の位置から、臨界角に相関させることができる。あるいは、変化点の画素位置を、既知の屈折率のいくつかのサンプルを用いて屈折率に対して較正してもよい。光源106A、106B、106C、106Dは、波長が共通の光を発する2つ以上の光源(本明細書では「波長が共通の光源」と称する)、および/または波長が異なる光を発する2つ以上の光源を含むことができる。限定するものではないが、例として、光センサ装置100は、4つの発光ダイオードを含むことができる。2つのLEDを、波長が共通の光を発するように構成し、他の2つのLEDを、波長が異なる光を発するように構成することができる。   The critical angle can be obtained from the irradiance pattern as follows. At angles of incidence below the critical angle, some light will be refracted into the sample at the interface with the sample 111 and some light will be reflected back to the photodetector array 108. . At the critical angle, the refracted light is refracted along the interface. At angles greater than the critical angle, all light is reflected at the interface with the sample 111. Rays corresponding to light reflected at the critical angle can be identified by the point of change between the low and high intensity of the irradiance pattern in the photodetector array. The pixel location of this change point can be correlated to the critical angle from the known geometry and refractive index of the light guide structure 102 and window 112, and from the known location of the light source and photodetector array 108. Alternatively, the pixel location of the change point may be calibrated for the refractive index using several samples of known refractive index. The light sources 106A, 106B, 106C, 106D are two or more light sources that emit light having a common wavelength (referred to herein as “light sources having a common wavelength”) and / or two or more light sources that emit light having different wavelengths. Of light sources. By way of example and not limitation, the photosensor device 100 may include four light emitting diodes. Two LEDs can be configured to emit light with a common wavelength, and the other two LEDs can be configured to emit light with different wavelengths.

同じ波長の光を発する2つの光源を使用することによって、光検出器アレイ108を埋め尽くす、すなわち全反射光で、単一の光源で可能な限度を越えて光検出器アレイ108を埋めることができるようにスケールを変えることが可能となる。波長が共通の光源は、波長が共通の異なる光源からの全反射した光錐が、光検出器アレイのところである程度重なり合うように構成することができる。波長が共通の光源を2つ使用することによって、より広い屈折率範囲が実現される。波長が共通の光源をさらに追加することによって、検出できる分解可能な屈折率の数が大きくなるため、波長が共通の光源をどのように構成して、光検出器アレイを埋めるかに依存して、屈折率範囲をより広げることができ、またはより優れた分解能を得ることができ、またはそれらを併せて実現することができる。   By using two light sources that emit light of the same wavelength, it is possible to fill the photodetector array 108, i.e. fill the photodetector array 108 with total reflection light beyond what is possible with a single light source. The scale can be changed as much as possible. A light source with a common wavelength can be configured such that the totally reflected light cones from different light sources with a common wavelength overlap to some extent at the photodetector array. By using two light sources with a common wavelength, a wider refractive index range is realized. Adding more light sources with a common wavelength increases the number of resolvable refractive indices that can be detected, depending on how the light sources with a common wavelength are configured to fill the photodetector array. , The refractive index range can be broadened, or better resolution can be obtained, or they can be realized together.

例えば図1Bに示すように、光源106Bと106Cとは波長が共通の光源であるとする。光源106Bからの、境界面で全反射する光錐を破線によって示す。光源106Cからの、境界面で全反射する光錐を点線によって示す。この例では、2つの光源106B、106Cからの全反射した光錐は、光検出器アレイの、RBおよびRCと表示した対応する2つの領域にマッピングされる。光源106Bと106Cとの位置が異なるため、これら2つの光源からの光は、サンプル111との境界面で、異なる入射角範囲にわたって全反射する。これらの異なる入射角範囲は、光検出器アレイにおいて異なる放射照度パターンに変換される。光源106B、106Cの位置、プリズム102の幾何形状および屈折率が既知である場合、上記で論じたように、光検出器アレイ108における放射照度パターンを分析することによって、サンプル111の屈折率を求めることが可能となる。   For example, as shown in FIG. 1B, it is assumed that the light sources 106B and 106C are light sources having a common wavelength. A light cone from the light source 106B that is totally reflected at the boundary surface is indicated by a broken line. A light cone that totally reflects off the boundary surface from the light source 106C is indicated by a dotted line. In this example, the totally reflected light cones from the two light sources 106B, 106C are mapped to the corresponding two regions of the photodetector array, labeled RB and RC. Since the positions of the light sources 106B and 106C are different, the light from these two light sources is totally reflected over the different incident angle ranges at the boundary surface with the sample 111. These different incident angle ranges are converted into different irradiance patterns in the photodetector array. If the location of the light sources 106B, 106C, the geometry of the prism 102 and the refractive index are known, the refractive index of the sample 111 is determined by analyzing the irradiance pattern at the photodetector array 108 as discussed above. It becomes possible.

図1Bに示す装置100では、光源106Aと106Dとは、互いに異なる真空波長の光を発することができ、かつ波長が共通の光源106B、106Cが発する光の真空波長とも異なる真空波長の光を発することができる。非限定的な特定の一実装形態では、波長が共通の2つのLEDはどちらも、約589nmの真空波長に対応する黄色光を発することができる。波長が共通でないLEDの一方は、紫外光、例えば真空波長が約375nmの光を発することができ、波長が共通でないLEDの他方は、赤外光、例えば真空波長が約940nmの光を発することができる。   In the apparatus 100 shown in FIG. 1B, the light sources 106A and 106D can emit light having a vacuum wavelength different from each other, and emit light having a vacuum wavelength different from the vacuum wavelength of the light emitted from the light sources 106B and 106C having a common wavelength. be able to. In one particular non-limiting implementation, two LEDs with a common wavelength can both emit yellow light corresponding to a vacuum wavelength of about 589 nm. One LED with a non-common wavelength can emit ultraviolet light, for example, light with a vacuum wavelength of about 375 nm, and the other LED with a non-common wavelength can emit infrared light, for example, light with a vacuum wavelength of about 940 nm Can do.

波長が異なる2つ以上の光を発する2つ以上の光源を含むことによって、装置100は、サンプルの光分散を推定するのに用いることができる。材料の分散は、その材料の種類の特徴的な特性であるため、分散測定を用いて、ある材料を別の材料と区別することができる。例として、プロセッサ114は、例えば適切にプログラミングすることによって、光源106A、106Dからの光がサンプル111との境界面で全反射したときに、光検出器アレイ108によって得られる放射照度の測定値を分析することによって、サンプル111の光分散を求めるように構成することができる。光源106Aと106Dとは、同時にオンにしても、あるいは順次測定するように一時に一方だけオンにしてもよい。異なる波長で発する多数の光源を用いることによって、装置100では、単一の光源から異なる波長を得るための光学フィルタの必要性を回避することができることに留意されたい。光学フィルタの必要性をなくすことによって、設計上および機械上の複雑さが低減され、かつ電力効率が向上する。光学フィルタをなくすことによってまた、よりコンパクトな設計が可能となる。さらに、多数の光源を用いることによって、信号対雑音比(SNR)を向上させることができる。単一の光源の(波長)範囲は限られ得るので、多数の光源を用いると、波長範囲をより広げることが可能となる。   By including two or more light sources that emit two or more lights of different wavelengths, the apparatus 100 can be used to estimate the light dispersion of the sample. Since the dispersion of a material is a characteristic property of that material type, dispersion measurements can be used to distinguish one material from another. As an example, the processor 114 may measure the irradiance measurement obtained by the photodetector array 108 when the light from the light sources 106A, 106D is totally reflected at the interface with the sample 111, for example by appropriate programming. By analyzing, it can be configured to determine the light dispersion of the sample 111. Light sources 106A and 106D may be turned on at the same time, or only one at a time so as to measure sequentially. It should be noted that by using multiple light sources that emit at different wavelengths, apparatus 100 can avoid the need for optical filters to obtain different wavelengths from a single light source. By eliminating the need for optical filters, design and mechanical complexity is reduced and power efficiency is improved. By eliminating the optical filter, a more compact design is also possible. Furthermore, the signal-to-noise ratio (SNR) can be improved by using multiple light sources. Since the (wavelength) range of a single light source can be limited, the wavelength range can be further expanded by using a large number of light sources.

センサ装置100を用いて行われる光分散測定を使用できるいくつかの様々な方法がある。限定するものではないが、例として、センサ装置100を用いて、既知の溶媒(例えば水(H2O))と既知の溶質(例えば過酸化水素(H2O2))とを有する溶液の屈折率を測定する場合、屈折率n対真空波長λの測定値を用いて、溶質の濃度を推定することができる。 There are a number of different ways that light dispersion measurements made using the sensor device 100 can be used. But are not limited to, as an example, using the sensor device 100, a known solvent (e.g. water (H 2 O)) and a known solute (such as hydrogen peroxide (H 2 O 2)) of a solution having a When measuring the refractive index, the concentration of the solute can be estimated using the measured value of refractive index n versus vacuum wavelength λ.

本発明のある実施形態では、光源106A、106B、106C、106Dとプリズム102との間、またはプリズム102と光検出器アレイ108との間、またはそれらの両方に、自由空間間隙gがあってもよい。光検出器アレイと光源とのどちらも、プリズム材料によって包まれていないので、この自由空間間隙によって、センサ装置の設計においてある程度の融通性が許容される。この自由空間間隙によってまた、光源が多数の場合の、光検出器アレイに放射照度パターンを最適に埋める際の融通性が、さらにある程度許容されることになる。さらに、自由空間間隙(例えば空隙)は、エポキシ樹脂ほどは劣化の影響を受けにくい。   In some embodiments of the invention, there may be a free space gap g between the light sources 106A, 106B, 106C, 106D and the prism 102, or between the prism 102 and the photodetector array 108, or both. Good. Since neither the photodetector array nor the light source is encased by the prism material, this free space gap allows some flexibility in sensor device design. This free space gap also allows some flexibility in optimally filling the photodetector array with the irradiance pattern when there are many light sources. Furthermore, the free space gap (for example, the gap) is less susceptible to deterioration as the epoxy resin.

導光構造体102は、サファイア、BK7、または非ドープイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)などの非ドープガーネットなど、堅固な光学材料で作製することができる。窓112なしで使用する場合、導光構造体102の屈折率は一般に、装置100による測定が予想される最高屈折率よりも高くしなければならない。あるいは、窓を使用する場合は、窓112の屈折率は、プリズムと窓との間の境界面における全反射を回避するために、導光構造体102の屈折率よりも高くすることが望ましい場合がある。しかし、これは必ずしもそうである必要はない。例えば、自由電子金属を境界面111のところに配置し、センサ装置100を表面プラズモン共鳴センサとしてもよく、その場合、実際には、このセンサは屈折率センサとして働くことができる。さらに、窓112を導光構造体102に取り付けるために使用する接着剤は、構造体102の材料よりも高い屈折率を有するが、窓112の材料よりも低い屈折率を有するものでよい。いくつかの実施形態では、接着剤もやはり、装置100による測定が予想される最大屈折率よりも高い屈折率を有することが望ましい場合がある。   The light guide structure 102 can be made of a rigid optical material such as sapphire, BK7, or undoped garnet such as undoped yttrium aluminum garnet (YAG). When used without a window 112, the refractive index of the light guide structure 102 generally must be higher than the highest refractive index expected to be measured by the device 100. Alternatively, when using a window, it is desirable that the refractive index of the window 112 be higher than the refractive index of the light guide structure 102 in order to avoid total reflection at the interface between the prism and the window. There is. However, this need not be the case. For example, a free electron metal may be placed at the interface 111 and the sensor device 100 may be a surface plasmon resonance sensor, in which case the sensor can actually act as a refractive index sensor. Furthermore, the adhesive used to attach the window 112 to the light guide structure 102 has a higher refractive index than the material of the structure 102, but may have a lower refractive index than the material of the window 112. In some embodiments, it may be desirable for the adhesive to also have a refractive index that is higher than the maximum refractive index expected by the device 100.

窓112は任意選択であるが、多くの用途において好ましい。導光構造体102は、例えば適切な光学接着剤を用いて、窓112に直接接着することができ、またはその逆も可能である。あるいは、屈折率が整合したゲルまたは油による機械的シールを用いて、窓を導光構造体に取り付けても(またはその逆に取り付けても)よい。この導光構造体は、あるいは窓に融着させてもよい。導光構造体102の材料は、窓112の材料とCTEが整合するように選択することができる。限定するものではないが、例として、プリズムをCTEが7.1ppm/℃のホウケイ酸ガラスで作製し、c面(c軸に垂直な平面)におけるCTEが4.5ppm/℃のサファイアで作製することができる。かかる場合、プリズムのCTEは窓のCTEよりも約1.6倍大きいが、この差は、プリズムと窓とが、CTEが整合していると言えるほど十分に小さいものである。   Window 112 is optional but preferred for many applications. The light guide structure 102 can be glued directly to the window 112, for example using a suitable optical adhesive, or vice versa. Alternatively, the window may be attached to the light guide structure (or vice versa) using a gel or oil mechanical seal with matched refractive index. This light guide structure may be fused to the window. The material of the light guide structure 102 can be selected so that the material of the window 112 and the CTE match. As an example, but not limited to, prisms may be made of borosilicate glass with a CTE of 7.1 ppm / ° C and sapphire with a CTE of 4.5 ppm / ° C on the c-plane (a plane perpendicular to the c-axis). it can. In such a case, the CTE of the prism is about 1.6 times larger than the CTE of the window, but this difference is small enough to say that the CTE is aligned between the prism and the window.

窓をプリズムに取り付けるために使用する接着剤は、プリズム材料と窓材料との間のCTEの差を吸収するほど十分に順応性があることにさらに留意されたい。限定するものではないが、例として、ホウケイ酸ガラスから成るプリズム、およびサファイア窓には、適切な紫外線硬化ポリマー接着剤が、商品名Norland Optical Adhesive 61(またはNOA61)として市販されており、ニュージャージ州クランベリのNorland Productsから入手可能である。NOA61は、ホウケイ酸ガラスの屈折率と、サファイアの屈折率との間の屈折率を有することにさらに留意されたい。   It should be further noted that the adhesive used to attach the window to the prism is sufficiently flexible to absorb the CTE difference between the prism material and the window material. By way of example and not limitation, prisms made of borosilicate glass, and sapphire windows, a suitable UV curable polymer adhesive is commercially available under the trade name Norland Optical Adhesive 61 (or NOA61), Available from Norland Products, Cranberry, state. Note further that NOA61 has a refractive index between that of borosilicate glass and that of sapphire.

プリズム材料は、プリント回路基板104の材料ともCTEが整合することが望ましい。例として、プリント回路基板は、FR4などのガラス強化エポキシ樹脂複合材料で作製することができ、そのCTEは約11ppm/℃であり、これは本発明の実施形態の目的では、CTEが整合しているとみなされるほど十分に、ホウケイ酸ガラスのCTEに近いものである。   It is desirable that the prism material matches the material of the printed circuit board 104 with the CTE. As an example, a printed circuit board can be made of a glass reinforced epoxy resin composite material such as FR4, and its CTE is about 11 ppm / ° C, which is consistent with CTE for purposes of embodiments of the present invention. It is close to the CTE of borosilicate glass enough to be considered.

上述の実施形態に対するいくつかの変形形態が考えられ得る。とりわけ、考えられ得る2つの変形形態を図3Aおよび図3Bに示す。図3Aに示すように、光センサ装置300では、光源306A、306Bと、光検出器アレイ308とがほぼ同一平面上となる構成として、大型の導光構造体302の第1の面F1に近接して配置することができる。第1の面F1は、反射防止(AR)コーティングでコーティングすることができる。光源306A、306Bからの光は、第1の面F1を通過し、第2の面F2に取り付けられた窓312の方へと進む。窓312とサンプル311との間の境界面313で、各光源306A、306Bの対応する入射角範囲にわたって全反射が起こる。全反射した光の一部分が、第3の面F3で反射し、第1の面F1に戻ってそこを通過し、光検出器308に達する。プリズム302が、屈折率が比較的高い、例えば、屈折率が約1.7以上の材料から成る場合、境界面313で全反射した光はまた、第3の面F3でも全反射し得る。あるいは、第3の面F3に金属または誘電体の反射コーティングを形成してもよい。   Several variations on the above-described embodiments can be envisaged. In particular, two possible variations are shown in FIGS. 3A and 3B. As shown in FIG. 3A, in the optical sensor device 300, the light sources 306A and 306B and the photodetector array 308 are configured to be substantially on the same plane and close to the first surface F1 of the large light guide structure 302. Can be arranged. The first surface F1 can be coated with an anti-reflection (AR) coating. Light from the light sources 306A and 306B passes through the first surface F1 and travels toward the window 312 attached to the second surface F2. Total reflection occurs at the interface 313 between the window 312 and the sample 311 over the corresponding incident angle range of each light source 306A, 306B. A part of the totally reflected light is reflected by the third surface F3, returns to the first surface F1, passes there, and reaches the photodetector 308. When the prism 302 is made of a material having a relatively high refractive index, for example, a refractive index of about 1.7 or more, the light totally reflected by the boundary surface 313 can also be totally reflected by the third surface F3. Alternatively, a metal or dielectric reflective coating may be formed on the third surface F3.

プリズム302は、屈折率が高い様々ないくつかの材料から作製することができる。限定するものではないが、例として、プリズム302は、サファイアウェハで作製し、そこから概ね三角形の形状に切り出し、その三角形の縁部を研磨して、面F1、F2、およびF3を設けることができる。複屈折のために各光源からの2つの応答が重なり合うことがないように、サファイアの光軸(いわゆるc軸)が、プリズムをそこから形成するウェハの平面に対して垂直となるように、サファイアの向きを合わせることが望ましい場合がある。   The prism 302 can be made from a number of different materials with a high refractive index. By way of example, but not limitation, the prism 302 may be made of a sapphire wafer, cut into a generally triangular shape therefrom, and the edges of the triangle may be polished to provide surfaces F1, F2, and F3. it can. Sapphire so that the optical axis of the sapphire (so-called c-axis) is perpendicular to the plane of the wafer from which the prism is formed so that the two responses from each light source do not overlap due to birefringence It may be desirable to match the orientation of.

プリズム302の寸法が大型であるため、光源306Aと306Bとの間の横方向間隔D1もそれに対応して広くなり、光源306Bと光検出器アレイ308との間の横方向間隔D2もそれに対応して広くなっている。プリズム302の寸法が大型であり、間隔D1が広いため、光源306A、306Bからの光が境界面313で全反射する入射角範囲の重なりが比較的少量となることが可能であるが、各入射角範囲によって光検出器アレイ308を埋めることがなおも可能となっている。各光源の入射角範囲が、光検出器アレイ全体にわたって広がっているため、より優れた屈折率分解能を得ることが可能となり、その理由は、境界面313で全反射する入射角、および対応する屈折率が、より多数の画素にわたって広がることになるからである。図3Aに示す特定の幾何形状によって、光源306A、306Bと、光検出器アレイとを、通常の支持体(図示せず)の平面に対してほぼ同じ高さとしながら、分解能をこのように向上させることが可能となる。例として、通常の支持体は、図1Aおよび図1BのPCB104などのプリント回路基板でよい。用途によっては、光源306Aと306Bとの間の横方向間隔D1、および光源306Bと光検出器アレイとの間の横方向間隔D2を比較的広く保ちながら、より小型の導光構造体を使用することが望ましい場合がある。光検出器アレイ308の寸法を図3Aの寸法と同じままとし、光検出器アレイと光源306A、306Bとを同じ高さとすると、境界面313で全反射する各入射角範囲が、より少数の画素にしか広がらなくなるため、屈折率分解能が低下することになる。しかし、この問題は、光検出器アレイ308の相対高さを、光源306A、306Bの高さに対して、間隙gだけずらすことによって克服することができる。こうすることによって、図3Bに示した装置300'で示すように、光検出器アレイ308がプリズム302の第1の面F1からより遠く離れる。このような場合、分解能を犠牲とすることなく、かつ光源と光検出器アレイとを同じ相対高さとしなくとも、所望の屈折率範囲を測定することができる。   Due to the large size of the prism 302, the lateral spacing D1 between the light sources 306A and 306B is correspondingly wider, and the lateral spacing D2 between the light sources 306B and the photodetector array 308 is also corresponding. And getting wider. Since the size of the prism 302 is large and the distance D1 is wide, the overlapping of the incident angle range in which the light from the light sources 306A and 306B is totally reflected by the boundary surface 313 can be relatively small. It is still possible to fill the photodetector array 308 by angular range. The range of incident angles for each light source extends across the entire photodetector array, resulting in better refractive index resolution because the angle of incidence is totally reflected at the interface 313 and the corresponding refraction. This is because the rate will spread over a larger number of pixels. The specific geometry shown in FIG. 3A thus improves the resolution while keeping the light sources 306A, 306B and the photodetector array at approximately the same height relative to the plane of a normal support (not shown). It becomes possible. As an example, a typical support may be a printed circuit board such as PCB 104 of FIGS. 1A and 1B. Depending on the application, a smaller light guide structure is used while keeping the lateral spacing D1 between the light sources 306A and 306B and the lateral spacing D2 between the light sources 306B and the photodetector array relatively wide. Sometimes it is desirable. If the dimensions of the photodetector array 308 remain the same as in FIG. 3A, and the photodetector array and the light sources 306A and 306B have the same height, each incident angle range that is totally reflected at the boundary surface 313 will have fewer pixels. Therefore, the refractive index resolution is lowered. However, this problem can be overcome by shifting the relative height of the photodetector array 308 by the gap g relative to the height of the light sources 306A, 306B. By doing this, the photodetector array 308 is further away from the first face F1 of the prism 302, as shown by the device 300 ′ shown in FIG. 3B. In such a case, a desired refractive index range can be measured without sacrificing resolution and without having the light source and the photodetector array have the same relative height.

図3Aに示す光センサ装置300、および図3Bに示す光センサ装置300'は、追加の光源、メモリ、プロセッサ、およびソフトウェアなど、上述したもの以外の他の構成要素も含むことができることに留意されたい。これらの構成要素は、見やすいように図面から省略してある。さらに、図3Aおよび図3Bには、2つの光源306A、306Bが示されているが、3つ以上の光源を使用してもよいことが当業者には認識されよう。さらに、光源は、波長が共通の2つ以上の光源、または真空波長が異なる光を発する2つ以上の光源、またはそれらの光源構成の何らかの組合せを含むことができる。   It is noted that the optical sensor device 300 shown in FIG. 3A and the optical sensor device 300 ′ shown in FIG. 3B may also include other components other than those described above, such as additional light sources, memories, processors, and software. I want. These components are omitted from the drawing for easy viewing. Further, although two light sources 306A, 306B are shown in FIGS. 3A and 3B, those skilled in the art will recognize that more than two light sources may be used. Further, the light sources can include two or more light sources having a common wavelength, or two or more light sources that emit light having different vacuum wavelengths, or some combination of these light source configurations.

本明細書に記載の種類の光センサは、光吸収など、競合する濃度感知技術に優る数多くの利点を有する。例えば、不透明な流体サンプルでは、光は透過するのではなく反射するので、その屈折率を測定するのに問題は生じない。さらに、このセンサ装置では、窓にいかなる材料も使用することができる。例えば、ある用途、例えば製薬などでは、透明プラスチック製の使い捨てバッグを用いて窓を設けてもよい。   Photosensors of the type described herein have a number of advantages over competing concentration sensing technologies, such as light absorption. For example, in an opaque fluid sample, light is reflected rather than transmitted, so there is no problem in measuring its refractive index. Furthermore, any material can be used for the window in this sensor device. For example, in certain applications, such as pharmaceuticals, a window may be provided using a disposable bag made of transparent plastic.

さらに、本明細書に記載の種類のセンサ装置の較正は、吸収分光センサの較正よりも遥かに容易である。検査中のサンプルが比較的単純である場合、化学種組成(speciation)を測定する必要はない。対象とする種の較正は、対象とする種の自動滴定を実施し、その間、センサを用いて、その自動滴定によって求められた種の濃度の関数として屈折率を測定することによって行うことができる。較正サンプルについて、放射照度と画素位置との導関数を取ることによって、画素位置のごく一部分内に対する較正サンプルの屈折率を求めることが可能となる。濃度が既知の一連のサンプルについて、画素位置に対する屈折率の測定を続けて行うことができ、結果として得られた較正をメモリ110に記憶することができる。較正のずれは、脱イオン水などの基準サンプルについて、画素位置に対する放射照度の測定を続けて実施し、較正をリゼロ化(re-zeroing)することによってシフトさせることができる。   Furthermore, calibration of sensor devices of the type described herein is much easier than calibration of absorption spectroscopy sensors. If the sample under test is relatively simple, there is no need to measure the speciation. Calibration of the target species can be performed by performing an automatic titration of the target species while measuring the refractive index using a sensor as a function of the concentration of the species determined by the automatic titration. . By taking the derivative of irradiance and pixel position for the calibration sample, it is possible to determine the refractive index of the calibration sample within a small portion of the pixel position. For a series of samples of known density, a refractive index measurement for the pixel location can continue, and the resulting calibration can be stored in the memory 110. Calibration deviations can be shifted by continuously performing irradiance measurements on pixel locations for a reference sample such as deionized water and re-zeroing the calibration.

したがって、本明細書に記載の種類のセンサ装置は、近赤外波長または紫外-可視波長範囲における吸収分光法に匹敵する。本明細書に記載の実施形態の反射式幾何配置によってまた、透過式幾何配置を使用するセンサに優る実質的な利点が得られる。例えば、回折の影響および吸着(adsorption)の影響を排除することができ、不透明流体の屈折率を測定することができる。   Accordingly, sensor devices of the type described herein are comparable to absorption spectroscopy in the near infrared wavelength or ultraviolet-visible wavelength range. The reflective geometry of the embodiments described herein also provides substantial advantages over sensors that use transmissive geometry. For example, the effects of diffraction and adsorption can be eliminated and the refractive index of an opaque fluid can be measured.

上記は、本発明の好ましい実施形態の完全な詳細であるが、様々な代替形態、改変形態、および均等形態を使用することも可能である。したがって、本発明の範囲は、上記の説明に即して決まるのではなく、添付の特許請求の範囲に即して、それらの均等物の全範囲も含めて決まるべきものである。いかなる特徴も、好ましいか否かに拘わらず、他のいかなる特徴とも、好ましいか否かに拘わらず、組み合わせることができる。以下の特許請求の範囲では、不定冠詞「A」または「An」は、別段の明示的な記載がない限り、その不定冠詞の後に続く1つまたは複数の物品の量を指すものである。添付の特許請求の範囲は、所与の請求項において「〜する手段(means for)」という文言を用いた限定の明示的な記載がない限り、ミーンズプラスファンクションによる限定を含むものとして解釈すべきではない。特定の機能を実施するための「〜する手段」と明示的に記載されていない請求項のいかなる要素も、米国特許法第112条第6段落の「手段」または「ステップ」条項として解釈すべきではない。   While the above is the complete details of the preferred embodiments of the present invention, various alternatives, modifications, and equivalents may be used. Accordingly, the scope of the invention should be determined not with reference to the above description, but with reference to the appended claims, including their full scope of equivalents. Any feature, whether preferred or not, can be combined with any other feature, whether preferred or not. In the following claims, the indefinite article "A" or "An" refers to the amount of one or more articles that follow the indefinite article, unless expressly stated otherwise. The appended claims should be construed to include means plus function limitations unless explicitly stated as limitations using the phrase “means for” in a given claim. is not. Any element of a claim that is not explicitly described as a "means to" to perform a particular function should be construed as a "means" or "step" clause in Section 112, sixth paragraph is not.

100、300、300' 光センサ装置
102、302 導光構造体(プリズム)
104 プリント回路基板
106A、106B、106C、106D、306A、306B 光源
108、308 光検出器アレイ
110 メモリ
111、311 サンプル
112、312 窓
113、313 境界面
114 プロセッサ
115 実行可能命令 100, 300, 300 'optical sensor device
102, 302 Light guide structure (prism)
104 printed circuit boards
106A, 106B, 106C, 106D, 306A, 306B Light source
108, 308 Photodetector array
110 memory
111,311 samples
112, 312 windows
113, 313 Interface
114 processor
115 Executable instructions

Claims (15)

平坦な第1の面、第2の面、および第3の面を有する光学的に透過性の導光構造体と、
前記導光構造体の外側に、前記第1の面に隣接して配置された2つ以上の光源と、
前記導光構造体の外側に、前記第1の面に隣接して配置された光検出器アレイと
を備え、
前記導光構造体と、前記導光構造体の外側に、前記第2の面に近接して配置されたサンプルと、の間の光境界面で全反射した、前記2つ以上の光源からの光が、前記第3の面で反射し、前記サンプルの屈折率に依存して前記光検出器アレイの一部分に入射するように、前記導光構造体、前記光源、および前記光検出器アレイが構成され、
前記境界面で全反射し、前記第3の面で反射した、前記2つ以上の光源それぞれからの光が、前記サンプルの異なる屈折率範囲に対応しかつ前記光検出器アレイの対応する部分にマッピングされるように、前記2つ以上の光源が、前記導光構造体および前記光検出器アレイに対して配置される、光センサ装置。 An optically transmissive light guide structure having a flat first surface, a second surface, and a third surface;
Two or more light sources disposed outside the light guide structure and adjacent to the first surface;
Outside the light guide structure, comprising a photodetector array disposed adjacent to the first surface,
From the two or more light sources that are totally reflected at the light interface between the light guide structure and the sample disposed outside the light guide structure and in proximity to the second surface. The light guide structure, the light source, and the photodetector array are such that light reflects off the third surface and is incident on a portion of the photodetector array depending on the refractive index of the sample. Configured,
Light from each of the two or more light sources, totally reflected at the interface and reflected by the third surface, corresponds to different refractive index ranges of the sample and to corresponding portions of the photodetector array. An optical sensor device, wherein the two or more light sources are arranged relative to the light guide structure and the photodetector array to be mapped. 前記2つ以上の光源が、自由空間間隙だけ前記導光構造体から分離されている、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the two or more light sources are separated from the light guide structure by a free space gap. 前記光検出器アレイが、自由空間間隙だけ前記導光構造体から分離されている、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the photodetector array is separated from the light guide structure by a free space gap. 前記2つ以上の光源が、真空波長が共通の光を発するように構成された、波長が共通の2つ以上の光源を含み、
前記境界面で全反射し、前記第3の面で反射した、波長が共通の前記2つ以上の光源それぞれからの光が、前記サンプルの異なる屈折率範囲に対応しかつ前記光検出器アレイの対応する部分にマッピングされるように、波長が共通の前記2つ以上の光源が、前記導光構造体および前記光検出器アレイに対して配置される、請求項1に記載の装置。 The two or more light sources include two or more light sources having a common wavelength configured to emit light having a common vacuum wavelength;
The light from each of the two or more light sources having a common wavelength, which is totally reflected at the boundary surface and reflected by the third surface, corresponds to different refractive index ranges of the sample and is included in the photodetector array. The apparatus of claim 1, wherein the two or more light sources having a common wavelength are disposed relative to the light guide structure and the photodetector array so as to be mapped to corresponding portions. 前記2つ以上の光源が、対応する真空波長が異なる光を発するように構成された2つ以上の光源を含む、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the two or more light sources include two or more light sources configured to emit corresponding light having different vacuum wavelengths. 前記光検出器アレイに結合されたプロセッサをさらに含み、前記プロセッサが、対応する真空波長が異なる光を発するように構成された前記2つ以上の光源からの、前記境界面で全反射した光を用いて、前記光検出器アレイによって得られた測定値から、前記サンプルの光分散を求めるように構成される、請求項5に記載の装置。   Further comprising a processor coupled to the photodetector array, wherein the processor reflects the light totally reflected at the interface from the two or more light sources configured to emit light having different vacuum wavelengths. 6. The apparatus of claim 5, wherein the apparatus is configured to use to determine light dispersion of the sample from measurements obtained by the photodetector array. 前記境界面で全反射した前記2つ以上の光源からの光が、前記2つ以上の光源から出発してから、前記境界面で全反射するまでの間に、前記第1の面を1度通過し、前記境界面で全反射してから、前記光検出器アレイに到達するまでの間にその同じ面を再度通過するように、前記2つ以上の光源、前記プリズム、および前記光検出器アレイが構成される、請求項1に記載の装置。   The light from the two or more light sources totally reflected at the boundary surface starts once from the two or more light sources and is totally reflected at the boundary surface once. The two or more light sources, the prism, and the photodetector so as to pass through the same surface again after passing through and totally reflected at the boundary surface until reaching the photodetector array. The apparatus of claim 1, wherein the array is constructed. 前記プリズムの一面に取り付けられた光学窓をさらに備え、前記光学窓が、前記導光構造体の屈折率よりも大きい屈折率を特徴とする、請求項1に記載の装置。   The apparatus according to claim 1, further comprising an optical window attached to one surface of the prism, wherein the optical window has a refractive index greater than a refractive index of the light guide structure. 前記導光構造体が、前記窓の材料とCTEが整合した材料から成る、請求項7に記載の装置。   8. The apparatus of claim 7, wherein the light guide structure comprises a material that is CTE aligned with the window material. 前記導光構造体がホウケイ酸ガラスから成り、前記窓がサファイアから成る、請求項8に記載の装置。   9. The apparatus of claim 8, wherein the light guide structure is made of borosilicate glass and the window is made of sapphire. 光境界面で全反射した前記2つ以上の光源からの光が、前記第3の面で全反射するように、前記導光構造体が構成される、請求項1に記載の装置。   2. The apparatus according to claim 1, wherein the light guide structure is configured such that light from the two or more light sources totally reflected at a light boundary surface is totally reflected at the third surface. 前記2つ以上の光源と、前記光検出器アレイとが、支持構造体に対して実質的に同じ高さにある、請求項10に記載の装置。   The apparatus of claim 10, wherein the two or more light sources and the photodetector array are at substantially the same height relative to a support structure. 前記2つ以上の光源が、支持構造体に対して実質的に同じ高さにあり、前記光検出器アレイの高さが、前記2つ以上の光源の高さからずれている、請求項10に記載の装置。   The two or more light sources are at substantially the same height relative to a support structure, and the height of the photodetector array is offset from the height of the two or more light sources. The device described in 1. 前記導光構造体が、サファイアウェハから成る、請求項10に記載の装置。   The apparatus of claim 10, wherein the light guide structure comprises a sapphire wafer. 前記サファイアウェハの光軸が、前記サファイアウェハの平面に対して垂直に向いている、請求項14に記載の装置。   The apparatus of claim 14, wherein an optical axis of the sapphire wafer is oriented perpendicular to a plane of the sapphire wafer.
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